分数阶电力弹簧的工作机理及应用研究

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随着世界各国对可再生能源(Rnewable Energy Source,RES)的大力发展,RES正逐步成为电力供应的主体。然而,受限于气候等因素,RES的出力具有强随机性、不确定性、间歇性特点,如何实现电能的高效消纳成为当前电力系统面临的难题。电力弹簧(Electric Spring,ES)作为一种新型分布式需求响应技术,改变了传统电网中“发电跟随负荷”的运行模式,可实现用电量和发电量的自动匹配,有望解决大规模、高比例RES并网带来的消纳问题,进一步提升RES发电的发展空间。然而,现有的大部分ES都是基于“ES+非关键负载(Noncritical Load,NCL)”的串联型拓扑,其有效运行范围会受到NCL工作电压容许范围的约束。为此,本文在分析了串联型ES中NCL对ES造成的约束后,基于分数阶元件在不同阶数下可以消耗/吸收有功功率的特性,提出了一种无需NCL的分数阶ES。通过调节阶数和阻抗大小,分数阶ES可以实现稳定关键负载电压、提高系统功率因数(Power Factor,PF)等功能。本文的主要研究内容如下:1.介绍了ES的基本原理和典型的串联型ES拓扑结构,详细分析了NCL与ES的补偿容量大小、电压调节范围之间的关系,指出了串联型ES的运行范围受限于NCL的容量及工作电压容忍范围。2.针对串联型ES的限制,提出了一种无需NCL的分数阶ES,详细介绍了其工作原理、电压调节范围、控制方法,并对比了分数阶ES与传统电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)的异同,最后基于PLECS软件进行了仿真验证。结果表明,所提出的分数阶ES具有稳定关键负载电压和提高功率因数的功能。3.针对分布式ES的下垂控制中反馈量与低压配电网输电线路下垂特性不匹配的问题,引入了有功功率作为反馈量,改进了下垂控制,并在PLECS中进行了分布式ES-1与分数阶ES的仿真对比验证。结果表明,分布式分数阶ES不仅可与ES-1协同运行,还可以保证NCL电压不越限。4.基于RT-Box半实物实验平台,对所提出的分数阶ES以及改进的分布式ES下垂控制进行了实验验证,证明了分数阶ES的可行性。
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